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 【背景摘要】

當將水凝膠設計用于生物學應用時，應仔細選擇機械性能以匹配其精確應用。但是，傳統的機械表征方法（簡單的剪切或壓縮/延伸）通常忽略了體內變形的多軸性。最近，拉德堡德大學Paul H. J. Kouwer教授團隊的一項研究強調，生物聚合物和組織的確顯示出對組合的單軸應變和剪切應變的復雜響應。相關論文題為Fibrous Hydrogels under Multi‐Axial Deformation: Persistence Length as the Main Determinant of Compression Softening發表在《Advanced Functional Materials》上。在這項研究中，使用了一種合成但仿生的纖維狀水凝膠，該水凝膠基于多異氰酸酯，形成了支鏈半柔性鏈的自組裝網絡，類似于肌動蛋白，膠原蛋白和纖維蛋白等結構生物聚合物的結構網絡。它的綜合性質允許解耦這些網絡的關鍵參數，并分別了解它們對多軸變形下機械響應的影響。從實驗上發現，持久長度是生物網絡的關鍵參數，可調節壓縮狀態下凝膠的軟化：聚合物越硬，網絡在壓縮狀態下軟化的越多。這項研究提供了對組織行為的見解，這種行為可能只能從合成模型系統中獲得，并且能夠進一步指導新的合成仿生軟材料的設計，這些材料作為可調節的無生物細胞外基質材料的需求量很大。

【主圖見析】

圖1 軸向應變會導致PIC網絡的架構和機械變化。a）實驗裝置的表示：水凝膠在流變板之間形成，并被水包圍以允許溶劑流動。施加軸向應變εN，然后施加剪切應變γ來評估機械響應。b）PIC水凝膠（在去離子水中1 mg mL-1）的儲能模量G'作為不同εN的振蕩剪切應變的函數。按照慣例，軸向應變的負值用于壓縮，正值用于延伸。G'在線性粘彈性（LVE）機制中是恒定的，并在較高應變下增加。c）當網絡被壓縮或擴展時，網絡段會彎曲/彎曲（藍色）或伸展（紅色），從而改變線性和非線性機械性能。

圖2 PIC凝膠在軸向應變下的儲能模量與濃度的關系。a）平臺模量（Gε）作為軸向應變（εN）的函數。在所有濃度下，PIC水凝膠均顯示出壓縮軟化和拉伸硬化。b）通過用c2.3歸一化Gε，所有數據折疊成一條曲線。c，d）對于濃度為0.7–1.5 mg mL-1的非線性力學參數，硬化指數m（c）；臨界應變γc（d）隨延伸而變化，隨壓縮而增大。很難記錄在最硬水凝膠的軸向壓縮下進行的應變剛度試驗。

圖3 PIC水凝膠在軸向變形下的儲能模量是余輝長度和輪廓長度的函數。a）由于添加了同向（NaH2PO4）或離液（NaI）鹽，PIC凝膠的相對增硬或軟化的持久長度為lp。特別地，壓縮響應受lp的影響。b）PIC凝膠的相對硬化或軟化程度與形成束LC的聚合物的輪廓長度有關同樣，僅在壓縮中，觀察到樣品之間的差異。顯示的數據是2個或3個樣本的平均值，均具有±SD。

圖4 軸向變形時在兩個方向上的機械響應。a）儲能模量（Gε）和軸向應力σN作為軸向應變的函數。Gε和σN都隨延伸線性增加，而壓縮卻有很小的變化。正σN表示網絡將上板拉下。所示的每個圖是三個獨立樣本的平均值。b–d）拉伸和壓縮的不同軸向應變的儲能模量（Gε-Gε= 0）相對于所產生的法向應力σN（均歸一化為Gε= 0）的變化，這是針對具有不同聚合物長度的凝膠確定的（b），聚合物 濃度（c）和聚合物持久性長度（d），在三個獨立的樣品中進行了測量。請注意，柔軟的材料效果不佳。線性相關性獨立于輪廓長度（b），濃度（c）和持久長度（d）。

參考文獻：
doi.org/10.1002/adfm.202010527

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